Levantamento Batimétrico Automatizado

Os recursos hídricos potáveis estão se exaurindo, e grande parte desse problema deve-se aos assoreamentos que ocorrem nos reservatórios que abastecem os centros urbanos. Portanto, faz-se necessário gerenciar as fontes e os reservatórios de águas que se podem beber de maneira constante e responsável.

O grande número de reservatórios brasileiros encontra-se total ou parcialmente assoreado, principalmente os de médio (500 a 1.000km) e de pequeno porte (100 a 500km) consoante classificação do porte dos cursos d'água.

A erosão é a principal causa do assoreamento em fontes hídricas, e também é a forma mais prejudicial de degradação do solo. Além de reduzir sua capacidade produtiva para as culturas com a perda da fertilidade do solo, ela causa sérios danos ambientais: elevação da temperatura do solo, aumento da evaporação, intensificação da concentração de sais, etc.

Neste contexto, é de grande importância o estudo de métodos que quantifiquem o grau de assoreamento de reservatórios, como rios e lagos. O método tradicional de levantamentos batimétricos, usando, essencialmente, teodolitos, atualmente está em desuso em função de três fatores altamente relevantes na execução de projetos de engenharia de um modo geral:

Custo de execução;Tempo de execução;Grau de confiabilidade dos resultados

Com o avanço, cada vez mais intenso, da tecnologia, surgiu um método de levantamento batimétrico relativamente de baixo custo, reduzido tempo de execução e com alto grau de confiabilidade. Este método faz uso de diversos conhecimentos da cartografia, posicionamento por satélites e geoestatística. E, é denominado de Levantamento Batimétrico Automatizado ou Levantamento Batimétrico Apoiado por GPS. É, atualmente, o método utilizado para se calcular o grau de assoreamento das fontes hídricas em geral.

a) Recursos materiais

Os equipamentos que compõem o levantamento batimétrico automatizado são muitos, e, por isso, recomenda-se listá-los antes do transporta a campo para qualquer registro de dados. Preliminarmente, os componentes essências são:

Barcos;Ecobatímetro;Dois exemplares de GPS topográfico;GPS de navegação;LapTop;Microcomputadores;Softwares específicos para essa tarefa;Baterias (12V);Nível topográfico;

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b) Recursos metodológicos

Calibração

O ecobatímetro é um instrumento que mede a profundidade, via emissão de pulsos acústicos no fundo do corpo d'água, e mensura o tempo de deslocamento do sinal acústico pela conversão do intervalo de tempo da distância percorrida da onda entre o transdutor e o fundo do reservatório. Na prática essa velocidade do som varia por fatores tais como: temperatura, salinidade e turbidez da água. Assim, para minimizar a influência desses parâmetros, e, para uma melhor precisão das medidas de profundidade, realiza-se uma sistemática de calibração, duas vezes ao dia, em locais distintos, com 1 a 5 metros de profundidade, espaçados de metro em metro, utilizando uma placa metálica (Figura 3.1) submergida verticalmente, onde se calibra o ecobatímetro pela alteração da velocidade do som emitido pelo mesmo, de modo que a sonda registre a mesma profundidade em que se encontra a placa (Figura 3.2).

Figura 3.1. Placa de calibração. Figura 3.2. Gráfico da calibração efetuada entre 1 a 05 metros de profundidade.

Execução

Na coleta das coordenadas, utiliza-se uma das técnicas de posicionamento por satélite. O posicionamento relativo cinemático com correção pós-processada é atualmente mais utilizado que o posicionamento relativo cinemático em tempo real, devido a maior precisão do primeiro. Em ambos os casos, é necessário a utilização dos dados captado por outro GPS, cuja posição de coordenadas é conhecidas.

As linhas batimétricas são planejadas logo após o levantamento do contorno da fonte hídrica, com distanciamento fixo entre elas, distribuído por todo o reservatório. As linhas batimétricas servem de guia para a coleta das profundidades e devem, quando possível, posicionar-se de forma perpendicular às margens do reservatório, para facilitar a navegação (Figura 3.3).

Ao longo do percurso da coleta de dados de profundidade é recomendado manter uma velocidade máxima de deslocamento do barco de 10 km/h, pois até esta velocidade consegue-se manter o transdutor e a antena GPS na posição vertical à lamina d'água, evitando assim, uma inclinação do feixe de ondas acústicas e conseqüentes erros de leituras.

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Para configuração dos GPS (da Base e Móvel) deve-se manter o mesmo sistema de coordenadas e também o mesmo datum, no caso de levantamento no Brasil, SAD 69 (South American Datum). A taxa de armazenamento de coordenadas entre eles deve ser igual, preferencialmente.

Figura 3.3. Linhas batimétricas espaçadas a 50 m, Açude Epitácio Pessoa, Boqueirão (PB).

Após a análise e correção dos dados levantados, é realizado o processo de interpolação, que é um procedimento de estimação do valor de um atributo em locais não amostrados, a partir de pontos amostrados na mesma área ou região, utilizando o software específico pelo método Kriging. Trata-se de método geoestatístico que leva em consideração as características espaciais de autocorrelação de variáveis regionalizadas, estipulando uma grade matricial de interpolação m x m, em metros. E, a partir dos dados interpolados, calcula-se o volume atual do reservatório.

O software SURFER é utilizado para estimar o reticulado, sendo fornecidos n valores conhecidos (Z , Z ,..., Z ) regularmente distribuídos ou não. O valor a ser interpolado 1 2 n

para qualquer nó da rede é determinado pela expressão:

Em que:

G é o valor estimado para o nó j;j

n é o número de pontos usados para a interpolação;Z é o valor estimador no ponto i de valor conhecido;i

W é o peso associado ao valor estimado i.ij

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As vantagens desse método são:

- Ótima fidelidade aos dados originais;- Boa suavidade das curvas interpoladas;- Precisão geral, de acordo com tabela de comparação entre algoritmos,

(Tabela 3.1, Landim, 2000).

Como desvantagem desse método, está na incapacidade de levantamentos acima da cota do nível d'água. Portanto, o levantamento batimétrico automatizado é recomendável em reservatório com a cota de nível d`água igual à cota da soleira.

Tabela 3.1. Tabela de comparação de algoritimos (Landim, 2000).

c) Produtos obtidos com o levantamento batimétrico automatizado

Os principais produtos obtidos através do levantamento batimétrico automatizado são:

1. Área inundada atualizada do reservatório;2. Mapeamento do espelho d'água atual e identificação de todas as ilhas existentes;3. Obtenção das respectivas profundidades;4. Modelagem do relevo submerso;5. Determinação do volume atual do reservatório;6. Determinação para o levantamento efetuado, a tabela cota x área x volume;7. Subsidiar informações aos órgãos competentes, para tomadas de decisões

presentes e futuras no gerenciamento e utilização racionalizada dos mananciais.

d) Estudo de Caso: Levantamento Batimétrico Automatizado do Açude Bodocongó, Campina Grande (PB)

Construído e inaugurado entre 1915 e 1916, face à carência de água na cidade de Campina Grande, o Açude Bodocongó foi o resultado de uma ação conjunta da Prefeitura de Campina Grande, na gestão de Cristiano Lauritzen e do Governo Federal.

COMPARAÇÃO ENTRE ALGORITMOS (Atribui-se o escore 1 ao melhor

evento e 5 ao pior)

Algoritmo

Fidelidadeaosdados originais

Suavidade das

curvas

Velocidade decomputação

Precisão Geral

Triangulação

1

5

1

5

Inverso da distância

3

4

2

4

Superfície/Tendêcia

5

1

3

2

Mínima curvatura 4 2 4 3

Krigagem 2 3 5 1

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A partir da década de 1930, apesar do alto grau de salinidade da água, algumas empresas se instalaram às suas margens, especificamente o Curtume Vilarim, a fábrica têxtil Cotonifício e o Matadouro Público. Nesse período houve o surgimento de todo o bairro de Bodocongó, promovendo enorme pressão a esse manancial, que culminou com o depósito de considerável quantidade de substâncias orgânicas solúveis e insolúveis, dentre as quais, substâncias inorgânicas como arsênico e cromo, em níveis de concentração perniciosos às vidas vegetais e animais desse reservatório. Ao longo dos anos, somado ao uso indiscriminado de suas águas, o açude Bodocongó passou a receber resíduos sanitários domésticos, industriais e até hospitalares, o que tem comprometido a qualidade de suas águas. Dentro desse contexto, a UFCG tomou a iniciativa de avaliar a qualidade da água dessa bacia hidráulica, fazendo ainda, o levantamento batimétrico apoiado por GPS, em outubro de 2002.

Histórico

Os dados representativos das características geométricas do açude (tabelas cota-área-volume) datam da época dos projetos dos barramentos (ou seja, mais de 30 anos, em diversos casos). Assim, surge a necessidade de atualização dos dados que determinam a capacidade do açude e a área do espelho d'água, face à ocorrência da crescente intervenção antrópica nesse reservatório, cujas margens, visivelmente encontra-se alteradas pelo uso indevido do solo, erosão e o deposição de material erodido por escoamento superficial, reduzindo sua capacidade de armazenamento.

Os levantamentos batimétricos consistiram, essencialmente, da mensuração do contorno, da dimensão e da posição relativa da superfície submersa do açude, proporcionando o acompanhamento das alterações do relevo submerso. Envolveu tipicamente diversas etapas, que se sucederam desde o planejamento até a apresentação de resultados numéricos e gráficos, sendo permeados por atividades de coleta de dados no campo e de processamento dos dados coletados.

O levantamento batimétrico convencional envolve a coleta de dados de profundidade da água em pontos situados ao longo de diversas seções transversais do reservatório, sendo o posicionamento do barco, sobre determinado ponto, feito através de equipamentos topográficos convencionais. A cada seção levantada, os equipamentos são deslocados ao longo das margens do reservatório, muitas vezes em locais de difícil acesso. Este método requer uma equipe de campo numerosa, além de demandar grande dispêndio de tempo, devido à necessidade de locação prévia, a partir de teodolitos, do ponto da seção transversal a ser medido. Tal procedimento acarreta um elevado acréscimo de custos, inviabilizando, por vezes, o levantamento.

O uso do Sistema de Posicionamento Global (GPS) na locação do ponto que se deseja medir, aliado ao emprego de um eco-sonda (para a determinação da profundidade do reservatório naquele mesmo ponto), permite a aquisição de maior número de dados, em um intervalo de tempo reduzido e com custo muito mais satisfatório.

Os equipamentos foram acondicionados em um barco, e a aquisição de dados ocorreu à medida que o barco se deslocava ao longo de diversas seções transversais do reservatório. Esse procedimento de coleta de dados supera os levantamentos batimétricos convencionais, devido ao aumento da resolução espacial e à precisão do trabalho.

Após a aquisição dos dados no campo, os pontos coletados via receptor de GPS já estavam geo-referenciados, de modo que a etapa de processamento dos dados consistiu, a

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grosso modo, da triagem dos dados, feita com o auxílio de um sistema computacional, seguida da geração das curvas de nível do leito do reservatório e da determinação das áreas das curvas geradas e do volume correspondente a intervalos fixos de cota, no caso, adotou-se a cada metro.

Os objetivos específicos deste trabalho foram:

Avaliar a taxa de assoreamento do açude Bodocongó; Determinar a área da bacia hidráulica do reservatório; Construir mapas de isolinhas batimétricas e de localização; Construir a curva-chave do manancial (cota x área x volume).

Material utilizado

No levantamento batimétrico automatizado do Açude Bodocongó foram utilizados os seguintes equipamentos:

- Estação GPS;- Ecobatímetro;- Barco.

O GPS, que o um método de sistema de posicionamento, foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa, Marinha e Aeronáutica dos Estados Unidos. Tem a denominação original de NAVSTAR (Navigation System Using Time and Ranging). Atualmente, conta com uma constelação de 27 satélites espaciais, sendo que, na tomada de pontos, 24 são usados e três ficam de reserva. Esse sistema foi projetado para fornecer posicionamento com precisão, durante 24 horas por dia, em qualquer lugar da superfície terrestre.

Na coleta de campo, foi utilizada uma estação receptora de GPS da marca Ashtech modelo Reliance (Figura 3.4) cuja precisão na determinação das posições dos pontos coletados é inferior a 1 metro.

Figura 3.4. GPS instrumento de posicionamento.

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O ecobatímetro é um equipamento empregado na mensuração da profundidade de superfícies submersas, cujo princípio de funcionamento se fundamenta na utilização do tempo de percurso de uma onda sonora emitida por um sensor imerso na água. O cálculo do valor da profundidade baseia-se na velocidade do som no meio e no tempo gasto pela onda para percorrer a distância de ida e volta entre o sensor e o leito do reservatório. O sensor deve ser instalado no fundo ou na lateral do barco, ligeiramente abaixo da linha d'água e voltado para baixo. É fundamental que o ecobatímetro tenha capacidade de enviar os dados serialmente para outros equipamentos e que utilize algum tipo de protocolo padrão.

O ecobatímetro utilizado foi da marca Furuno modelo FCV-668 (Figura 3.5) o qual, dentre outros recursos, permite visualizar, em tempo real, o perfil do leito do reservatório e possui função de alarme, que possibilita uma navegação mais segura em zonas rasas. Com o objetivo de verificar a precisão do equipamento, alguns testes de calibração foram realizados dentro do açude, em locais de profundidades conhecidas, onde era possível confrontar as leituras do ecobatímetro e as leituras reais. Estes testes incluíram pontos com até 4 m de profundidade, onde foi possível manter o barco firmemente ancorado.

Figura 3.5. Ecobatímetro acondicionado a barco.

Barco

O barco utilizado durante a coleta dos dados era de alumínio modelo Petty, movido a motor de combustão interna de 15 HP (Figura 3.6).

Para prover a alimentação necessária aos diversos equipamentos instalados foi utilizada uma bateria veicular da marca Moura de 12V. O barco era dotado de estrutura apropriada para o acondicionamento dos sensores (antenas do GPS e do rádio e sonda do ecobatímetro) e demais equipamentos utilizados. Os equipamentos mais sensíveis (estação GPS e a unidade central do ecobatímetro) foram acondicionados em um gabinete que os protegeram da radiação solar e da umidade.

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Figura 3.6. Barco provido de instrumentos para levantamentos batimétricos.

Procedimento de campo

As atividades desenvolvidas no contexto deste levantamento batimétrico foram divididas em três etapas, a saber:

Coleta dos dados; Processamento dos dados; Geração de produtos.

A coleta de dados desenvolvida no campo englobou duas atividades: a coleta de dados de posição dos limites do reservatório e a coleta de dados de posição e profundidade de pontos internos do açude.

Em ambos os casos, a estação GPS foi programada para coletar os dados a cada 5 segundos. Os dados foram coletados para a cota do nível de água na ocasião do levantamento (507,98m). O deslocamento do barco deu-se a uma velocidade de 5Km/h, visando garantir a precisão do trabalho.

A primeira atividade, realizada caminhando-se a pé, permitiu fazer a determinação do perímetro do reservatório. Após a obtenção e armazenamento dessa informação de contorno, efetuou-se a coleta de dados dos pontos no interior do reservatório, a partir do deslocamento do barco por linhas transversais aproximadamente eqüidistantes. A distância entre as linhas consecutivas foi aproximadamente de 10m. O número total de pontos coletados foi de 462, sendo que 145 foram coletados no contorno do açude, e os 317 restantes no interior do reservatório (Figura 3.7).

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Uma vez obtidos os dados do contorno e do interior do açude, iniciou-se a etapa de interpolação dos pontos, com o propósito de obter uma malha mais densa das informações de posição e profundidade, a fim de possibilitar o traçado das curvas de profundidade ou isolinhas batimétricas da bacia hidráulica do açude (Figura 3.8).

Figura 3.7 - Mapa de contorno do Açude Bodocongó.

Figura 3.8 - Isolinhas batimétricas do Açude de Bodocongó

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As áreas entre as diversas curvas batimétricas foram calculadas, permitindo-se a determinação do volume armazenado entre as mesmas. O volume acumulado até a cota das margens do açude foi inferido do somatório dos volumes armazenados entre as diversas curvas de nível. Nesta etapa, foi utilizado o software Surfer 7, aplicativo destinado à modelagem tridimensional de dados.Para a construção do mapa de localização da área em estudo foi utilizado outro programa, o

MapInfo 6.5, um SIG que suporta o processamento de dados brutos exportados pelo aplicativo Reliance no formato mif. Após a importação dos dados, foram gerados os planos de informações de interesse.

A partir do processamento dos dados relativos à batimetria automatizada realizada no açude Bodocongó, foram gerados, em meio digital e impresso em papel, os seguintes produtos:

- Mapa de curvas de nível da parte com água da bacia hidráulica do açude Bodocongó, eqüidistantes de 1 metro;

- Mapa de localização da área de estudo;- Tabela cota-área-volume levantada pela batimetria, (Tabela 3.2).

Tabela 3.2. Cota x Área x Volume do Açude Bodocongó

A tabela cota x área x volume permite a determinação do volume acumulado do manancial a partir de simples leituras de cota. Estas leituras são realizadas após a instalação, em campo, de réguas linimétricas (graduadas em 1m cada) niveladas e fixadas em estacas de madeiras.

Para as leituras de cotas em que não há um volume correspondente na tabela cota x área x volume, utiliza-se o método da interpolação linear para a obtenção do volume desejado.

A geração dos produtos supracitados possibilitou a determinação das informações sumariadas na Tabela 3.3.

COTA (m) ÁREA (m2 ) VOLUME(m2 )

71.897

------

24.918

97.608

502,00 ------

503,00 3.067

504,00 76.780

505,00 142.667 194.628

506,00 193.618 364.152

507,00 241.274 581.734

507,98 3 873.308

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Tabela 3.3. Caracterização do Açude de Bodocongó.

Estes valores foram obtidos tomando-se como base o levantamento do projeto 3original feito pelo DNOCS, que obteve o volume máximo 1.020.000 m na cota 508,00m. A

área da bacia hidráulica levantada estava localizada na Longitude entre 35º 54' 37,49“ W a 35º 55' 27,95“ W, e Latitude entre 7º 12' 35,42“ S a 7º 12' 56,28“ S.

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LANDIM, P. M. B. Introdução aos métodos de estimação espacial para confecção de mapas. Rio Claro: UNESP - Departamento de Geologia Aplicada, IGCE. 2000

Item Valor

Área da bacia hidráulica (m2) 3.713.897

Perímetro (m) 3.877

Volume estimado (m3) 873.308

Volume assoreado estimado (m3)

146.692

Taxa de assoreamento

(%)

14,38

Profundidade máxima

(m)

5,60

Profundidade

média (m)

2,35

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